网络协议趣谈HTTPS协议加密证书和工作模式

Posted 2021-09-01 sysu_lluozh

用HTTP协议，看个新闻还没有问题，但是换到更加严肃的场景中就存在很多的安全风险。 例如，下单做一次支付，如果还是使用普通的HTTP协议，那很可能会被黑客盯上

发送一个请求说要点个外卖，但是这个网络包被截获了，于是在服务器回复你之前，黑客先假装自己就是外卖网站，然后给你回复一个假的消息说：“好啊好啊，来来来，银行卡号、密码拿来”，如果这时候你把银行卡密码发给它，那就真的上套了

那怎么解决这个问题呢？当然一般的思路就是加密。加密分为两种方式一种是对称加密，一种是非对称加密

在对称加密算法中，加密和解密使用的密钥是相同的。也就是说，加密和解密使用的是同一个密钥。因此，对称加密算法要保证安全性的话，密钥要做好保密。只能让使用的人知道，不能对外公开

在非对称加密算法中，加密使用的密钥和解密使用的密钥是不相同的。一把是作为公开的公 钥，另一把是作为谁都不能给的私钥。公钥加密的信息，只有私钥才能解密。私钥加密的信息，只有公钥才能解密

因为对称加密算法相比非对称加密算法来说，效率要高得多，性能也好，所以交互的场景下多用对称加密

一、对称加密

假设你和外卖网站约定了一个密钥，你发送请求的时候用这个密钥进行加密，外卖网站用同样的密钥进行解密。这样就算中间的黑客截获了你的请求，但是它没有密钥，还是破解不了

1.1 对称加密的问题

这看起来很完美，但是中间有个问题，双方怎么来约定这个密钥呢？如果这个密钥在互联网上传输，也是很有可能让黑客截获的。黑客一旦截获这个秘钥，然后等着你们两个交互。这时你们之间互通的任何消息，它都能截获并且查看，就等你把银行卡账号和密码发出来

1.2 对称加密的密钥约定

在谍战剧里面经常看到这样的场景，就是特工破译的密码会有个密码本，截获无线电台，通过密码本就能将原文破解出来。怎么把密码本给对方呢？只能通过线下传输

比如，你和外卖网站偷偷约定时间地点，它给你一个纸条，上面写着你们两个的密钥，然后说以后就用这个密钥在互联网上定外卖了。当然你们接头的时候，也会先约定一个口号如"天王盖地虎"之类的，口号对上了，才能把纸条给它。但是，"天王盖地虎"同样也是对称加密密钥，同样存在如何把"天王盖地虎"约定成口号的问题。而且在谍战剧中一对一接头可能还可以，在互联网应用中，客户太多，这样是不行的

二、非对称加密

所以，只要是对称加密，就会永远在这个死循环里出不来，这时就需要非对称加密介入进来

2.1 非对称加密解决密钥私密性的问题

非对称加密的私钥放在外卖网站这里，不会在互联网上传输，这样就能保证这个秘钥的私密 性。但是，对应私钥的公钥是可以在互联网上随意传播的，只要外卖网站把这个公钥给你，你们就可以愉快地互通了

比如说你用公钥加密，说"我要定外卖"，黑客在中间就算截获了这个报文，因为它没有私钥也是解不开的，所以这个报文可以顺利到达外卖网站，外卖网站用私钥把这个报文解出来，然后回复"那给我银行卡和支付密码吧"

2.2 公钥公开导致任意人都可使用

先别太乐观，这里还是有问题的。回复的这句话是外卖网站拿私钥加密的，互联网上人人都可以把它打开，当然包括黑客。那外卖网站可以拿公钥加密吗？当然不能，因为它自己的私钥只有它自己知道，谁也解不开

另外，这个过程还有一个问题，黑客也可以模拟发送"我要定外卖"这个过程的，因为它也有外卖网站的公钥

2.3 服务端和客户端均持有公钥私钥

为了解决这个问题，看来一对公钥私钥是不够的，客户端也需要有自己的公钥和私钥，并且客户端要把自己的公钥给外卖网站

这样，客户端给外卖网站发送的时候，用外卖网站的公钥加密。而外卖网站给客户端发送消息的时候，使用客户端的公钥。这样就算有黑客企图模拟客户端获取一些信息，或者半路截获回复信息，但是由于它没有私钥，这些信息它还是打不开

三、数字证书

3.1 公钥如何鉴定正确性的问题

不对称加密也会有同样的问题，如何将不对称加密的公钥给对方呢？一种是放在一个公网的
地址上让对方下载，另一种就是在建立连接的时候传给对方

这两种方法有相同的问题，那就是作为一个普通网民，怎么鉴别别人给你的公钥是对的。会不会有人冒充外卖网站发给你一个它的公钥。接下来，你和它所有的互通，看起来都是没有任何问题的。毕竟每个人都可以创建自己的公钥和私钥

3.2 公钥和私钥的创建

例如，搭建一个网站cliu8site，可以通过这个命令先创建私钥

openssl genrsa ‑out cliu8siteprivate.key 1024

然后，再根据这个私钥，创建对应的公钥

openssl rsa ‑in cliu8siteprivate.key ‑pubout ‑outcliu8sitepublic.pem

3.3 权威部门颁发证书CA证明

这个时候就需要权威部门的介入了，就像每个人都可以打印自己的简历说自己是谁，但是有公安局盖章的就只有户口本，这个才能证明你是你。这个由权威部门颁发的称为证书(Certificate)

证书里面有什么呢？当然应该有公钥，这是最重要的，还有证书的所有者，就像户口本上有你的姓名和身份证号说明这个户口本是你的，另外还有证书的发布机构和证书的有效期，这个有点像身份证上的机构是哪个区公安局，有效期到多少年

3.4 证书CA的生成

这个证书是怎么生成的呢？会不会有人假冒权威机构颁发证书呢？就像有假身份证、假户口本一样。生成证书需要发起一个证书请求，然后将这个请求发给一个权威机构去认证，这个权威机构我们称为CA(Certificate Authority)

证书请求可以通过这个命令生成

openssl req ‑key cliu8siteprivate.key ‑new ‑out cliu8sitecertificate.req

将这个请求发给权威机构，权威机构会给这个证书卡一个章，称为签名算法
问题又来了，那怎么签名才能保证是真的权威机构签名的呢？当然只有用仅掌握在权威机构手里的东西签名了才行，这就是CA的私钥

3.5 签名算法的工作过程

签名算法大概是这样工作的：
一般是对信息做一个Hash计算，得到一个Hash值，这个过程是不可逆的，也就是说无法通过Hash值得出原来的信息内容。再把信息发送出去时，把这个Hash值加密后，作为一个签名和信息一起发出去

权威机构给证书签名的命令是这样的：

openssl x509 ‑req ‑in cliu8sitecertificate.req ‑CA cacertificate.pem ‑CAkey caprivate.key ‑out cliu8s

这个命令会返回Signature ok，而cliu8sitecertificate.pem就是签过名的证书。CA用自己的私钥给外卖网站的公钥签名，就相当于给外卖网站背书，形成了外卖网站的证书

3.6 证书CA的内容

查看这个证书的内容：

openssl x509 ‑in cliu8sitecertificate.pem ‑noout ‑text 

有几个字段说明一下：

• Issuer：证书是谁颁发的
• Subject：证书颁发给谁
• Validity：证书期限
• Public-key：公钥内容
• Signature Algorithm：签名算法

这下好了，你不会从外卖网站上得到一个公钥，而是会得到一个证书，这个证书有个发布机构CA，你只要得到这个发布机构CA的公钥，去解密外卖网站证书的签名，如果解密成功，Hash也对的上，就说明这个外卖网站的公钥没有啥问题

3.7 如何确定CA公钥的正确性

有没有发现，又有新问题了。要想验证证书，需要CA的公钥，问题是怎么确定CA的公钥就是对的呢？

所以，CA的公钥也需要更牛的CA给它签名，然后形成CA的证书。要想知道某个CA的证书是
否可靠，要看CA的上级证书的公钥，能不能解开这个CA的签名。就像你不相信区公安局，可 以打电话问市公安局，让市公安局确认区公安局的合法性。这样层层上去，直到全球皆知的
几个著名大CA，称为root CA，做最后的背书。通过这种层层授信背书的方式，从而保证了非对称加密模式的正常运转

除此之外，还有一种证书称为Self-Signed Certificate，就是自己给自己签名。这个给人一种"我就是我，你爱信不信"的感觉

四、HTTPS的工作模式

可以知道，非对称加密在性能上不如对称加密，那是否能将两者结合起来呢？例如，公钥私钥主要用于传输对称加密的秘钥，而真正的双方大数据量的通信都是通过对称加密进行的

当然是可以的。这就是HTTPS协议的总体思路

当登录一个外卖网站时，由于是HTTPS协议，客户端会发送Client Hello消息到服务器，以明文传输TLS版本信息、加密套件候选列表、压缩算法候选列表等信息。另外，还会有一个随机数，在协商对称密钥的时候使用
这就类似在说：“您好，我想定外卖，但你要保密我吃的是什么。这是我的加密套路，再给你个随机数，你留着”

然后，外卖网站返回Server Hello消息，告诉客户端，服务器选择使用的协议版本、加密套件、压缩算法等，还有一个随机数，用于后续的密钥协商
这就类似在说：“您好，保密没问题，咱们就按套路2来吧，我这里也有个随机数，你也留着”

然后，外卖网站会给你一个服务器端的证书，然后说：“Server Hello Done，我这里就这些信
息”

你当然不相信这个证书，于是你从自己信任的CA仓库中，拿CA的证书里面的公钥去解密外卖网站的证书。如果能够成功，则说明外卖网站是可信的。这个过程中，你可能会不断往上追溯CA、CA的CA、CA的CA的CA，反正直到一个授信的CA就可以了

证书验证完毕之后，觉得这个外卖网站可信，于是客户端计算产生随机数字Pre-master，发送Client Key Exchange，用证书中的公钥加密后再发送给服务器，服务器可以通过私钥解密出来

到目前为止，无论是客户端还是服务器，都有了三个随机数，分别是：自己的、对端的，以及刚生成的Pre-Master随机数。通过这三个随机数，可以在客户端和服务器产生相同的对称密钥

有了对称密钥，客户端就可以说：“Change Cipher Spec，咱们以后都采用协商的通信密钥和加密算法进行加密通信”

然后发送一个Encrypted Handshake Message，将已经商定好的参数等，采用协商密钥进行加密，发送给服务器用于数据与握手验证

同样，服务器也可以发送Change Cipher Spec，说：“没问题，咱们以后都采用协商的通信密钥和加密算法进行加密通信”，并且也发送Encrypted Handshake Message的消息试试。当双方握手结束之后，就可以通过对称密钥进行加密传输

这个过程除了加密解密之外，其他的过程和HTTP是一样的，过程也非常复杂

上面的过程只包含了HTTPS的单向认证，也即客户端验证服务端的证书是大部分的场景， 也可以在更加严格安全要求的情况下，启用双向认证，双方互相验证证书

五、重放与篡改

其实，这里还有一些没有解决的问题，例如重放和篡改的问题

没错，有了加密和解密，黑客截获了包也打不开了，但是它可以发送N次。这个往往通过Timestamp和Nonce随机数联合起来，然后做一个不可逆的签名来保证

Nonce随机数保证唯一，或者Timestamp和Nonce合起来保证唯一，同样的请求只接受一次，于是服务器多次受到相同的Timestamp和Nonce，则视为无效即可

如果有人想篡改Timestamp和Nonce，还有签名保证不可篡改性，如果改了用签名算法解出 来，就对不上了，可以丢弃了

六、小结

关于HTTPS协议的加密、证书和工作模式等知识点总结一下：

• 加密分对称加密和非对称加密。对称加密效率高，但是解决不了密钥传输问题，非对称加密可以解决这个问题，但是效率不高
• 非对称加密需要通过证书和权威机构来验证公钥的合法性
• HTTPS是综合了对称加密和非对称加密算法的HTTP协议，既保证传输安全，也保证传输效率